计算机仿真技术01
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计算机仿真技术第1章概论计算机仿真技术共有五章组成。
将介绍计算机仿真的基本理论与方法以及系统仿真的实现手段。
讲述的重点在第二章和第三章，其余三章只作简单的介绍。
这样安排的原因是：学时的限制，其二是同学们的知识储备不够，无法作过多的讲解。
尤其是第四章，离散事件仿真基础。
在我们这个专业中，就很少接触或没有接触过离散事件及其相关的理论，因此，我们很难对这一系统的仿真作深入的讲解。
一）意义自从第一台计算机问世以来，人们便应用计算机对所研究的系统或者说事件进行仿真实验。
计算机仿真技术作为一门独立的科学理论兴起于上世纪的40年代。
随着计算机技术和数学理论的发展，计算机仿真理论也得到了快速的发展。
它的应用几乎覆盖了人们从事活动的所有的领域。
一个大系统或一个大的工程的研究和设计的成功在很大程度上依赖于计算机仿真技术。
科研人员的理论研究和解决问题能力的提高也受益于计算机仿真技术。
在计算机仿真技术出现以前，人们进行科学技术研究的手段只有两种：理论研究和实验研究。
计算机仿真技术为人们提供了又一种新的科学技术研究的手段。
这个手段是理论研究和实验研究无法替代的。
可以说，这个技术已经成为科学技术研究的第三种手段。
计算机仿真技术是当今最实用的技术之一。
这一点已被人们所认可。
如果认为：计算机仿真技术只为人们的纸上谈兵提供了技术支持，那是错误的。
计算机仿真技术也为采样系统、装置的实现提供了技术上的保障。
也就是说，不能将计算机仿真技术简单地理解为可以编一个好的程序从而对系统进行分析、设计等等。
利用计算机仿真技术也可以制作实际的装置和系统。
这些例子在我们周围是经常遇到的。
计算机控制系统就是利用仿真技术研制系统的一个很好的例子。
所谓计算机控制系统就是利用计算机去替代系统控制回路的硬件部分。
而如何用计算机去替代控制回路的硬件，这是计算机仿真技术解决这个问题。
再一个典型的例子就是虚拟仪器仪表。
在这些仪器中已经不存在传统上意义上的硬件电路，而使用数据处理器替代那些硬件。
如何实现这种替代，同样应用了计算机仿真技术。
可以说，只要系统中含有计算机、单片机、DSP等数据处理部件，那么，这个系统就一定含有计算机仿真技术。
可以说，利用计算机仿真技术去研制系统或装置已成为目前产品制作的主流。
我相信，在未来社会的发展中，计算机仿真技术将直接影响一个国家的科研能力和产品制作。
目前，各国对计算机仿真技术的研究投入了大量的人力和财力，这是利益的驱使。
讲述了这么多，希望同学们对计算机仿真技术给与足够的重视。
下面将介绍计算机仿真的定义（研究内容）、概念、分类以及他的发展史和目前的研究情况。
二、计算机仿真定义：计算机仿真的定义实质上是回答计算机仿真是做什么的，许多学者对此给出了不同的定义。
但是人们觉得这些定义都不够完善。
这里我们给出三个计算机仿真的定义。
其目的是让同学们更好地理解计算机仿真技术。
1)利用计算机软件模拟实际环境进行科学实验的综合技术。
2)仿真是在数字计算机上进行试验的数字化技术。
3)仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算技术等理论基础之上的，以计算机和其它专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真实或假想的系统进行试验，并借助专家经验知识、统计数据和信息资料对试验结果进行分析和研究，进而做出决策的一门综合性的和试验性的科学。
第一、二两种定义简单，但存在不足，（A）有时计算机仿真不存在程序，比如在模拟计算机上的仿真。
（B）仿真不仅仅是数字化技术。
比如，下面将介绍的半实物计算机仿真。
第三种定义比较完善。
但这个定义太长，要想记住他不是个容易的事。
理解他就可以了。
从第三个定义可看出，计算机仿真技术是建立在诸多科学的理论基础上的。
对于一个工程研究人员学习、运用和研究计算机仿真技术，这些理论并不是必须掌握的。
从计算机的仿真过程看，以下的理论知识应该是必须掌握：计算机技术（软件、硬件），相似理论，数学和相关领域的系统科学。
三、计算机仿真的理论基础：计算机技术（软件、硬件），相似理论，数学理论和相关领域的系统科学其中，相似理论是计算机仿真的核心理论，没有相似理论就没有仿真理论。
数学是计算机的灵魂，没有数学计算机将什么也做不成。
计算机的应用离不开数学。
计算机仿真技术是从各科学领域的仿真技术中发展起来的技术。
它对各学科的仿真具有理论上的指导和技术上的支持作用。
仿真方的是一个具体的系统，这个系统属于某个具体的学科。
这无疑要涉及该学科的理论与方法。
四、仿真的工具1）计算机2）物理设备在计算机仿真中所用到的物理设备，不仅仅使显示器打印机之类的输出设备。
有时所用到的设备是相当复杂和昂贵的。
这一点突出表现在半实物仿真中。
要想进行仿真就得有仿真的工具。
因此，对计算机仿真技术的研究和应用应包含两个方面的研究和应用，一是软件，二是硬件。
软件就是指程序，对软件的研究我们国家不比其他国家差，而对硬件的研究相对差一些。
1）计算机，2）物理设备：显示器、打印机2）优点：经济、可靠、实用、安全、灵活、可多次重复使用的优点。
仿真技术已成为现代科学技术研究的不可缺少的应用工具。
3）仿真技术的工具：数学理论、相关科学的理论与技术、计算机和各种物理设备。
在有些文献中，仿真计算的工具没有提到相关科学的理论与技术。
我个人认为这是不完善的。
只有数学理论、计算机和各种物理设备，而对所研究的系统不了解，就无法进行仿真。
有人将各领域的仿真方法，或者说技术进行理论上的升华或者说抽象，而提出了计算机仿真技术，并将其作为一门独立的研究领域进行研究。
但是，当应用从计算机仿真技术中所得到的成果进行系的理论与技术。
因此，仿真技术所用到的工具应当加上相关科学的理论与技术。
计算机仿真不仅是在计算机上编制仿真程序，有时还要设及一些硬件设备。
比如，计算机的实时仿真。
实时数字仿真过程框图4） 仿真技术与工程仿真的关系计算机仿真技术是从各学科的仿真方法中提炼出来的具有共性的问题。
它可作为一个理论或思想去指导各学科的仿真分析之中。
是普遍与个体的关系。
系统仿真是上世纪40年代末开始兴起并逐步发展起来的一门新兴学科。
随着计算机的发展，这门技术也蓬勃地发展起来了。
但是，研制一个仿真系统并不是一件容易的事情。
其研制的投资及研制的时间并不是一个小的数字。
比如，西门子的电力系统仿真软件，从立项研究到第一个版本的仿真软件的问世，历经了近十年的时间。
由于仿真系统所具有的优点，它的投入与其收回的效益相比还是小得多，这也是激励人们研究仿真系统的一个原因。
激励人们研究仿真系统还有许多原因。
如原子弹爆炸的仿真实验。
美国用计算机仿真原子弹的爆炸过程。
⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧按系统划分分类物仿真）物理－数字仿真（半实）数学仿真（计算机仿真物理仿真按方针的时间尺度超实时仿真实时仿真亚实时仿真仿真分类 321.45．仿真步骤： a)建立系统模型 b)建立仿真模型 c)仿真实验 d)仿真结果分析6．计算机仿真的历史及现状1.1计算机仿真的基本概念1 仿真的种类系统仿真是指通过系统模型的试验去研究一个已经存在的或正在研究设计中的系统的具体过程。
要实现系统仿真首先要寻找一个实际系统的“替身”，这个“替身”被称为系统模型。
它不是系统原型的复现，而是按研究的侧重面或实际需要对系统进行简化提炼，以利于研究者抓住问题的本质或主要矛盾。
在计算机出现以前，人们只采用物理仿真，那时的仿真技术附属在其它有关学科之中。
随着计算机技术的发展，在仿真领域提出了大量的共同性的理论、方法和技术，所以仿真理论逐渐形成了一门独立的学科。
计算机仿真就是以计算机为工具，用仿真理论来研究系统。
系统是仿真技术研究的对象，计算机是进行仿真技术研究所使用的工具。
而应用恰当的模型描述系统是进行仿真研究的前提与核心，为了更全面系统地了解系统仿真的基本概念和基本方法，有必要先了解一下什么是系统、系统模型及系统仿真。
1.1.1系统计算机仿真技术是对系统的研究，因此，首先介绍一下系统。
一）系统：具有特定功能和运动规律的有机整体。
在这个整体中，各组成部分相互联系、相互制约、相互依存。
子系统（分系统）：系统的组成部分。
如电力系统。
它的功能是实现电能的生产、传输和使用。
它有其自身的运动规律。
它的组成可分为：发电子系统、属电子系统、配电子系统和用电子系统。
这些子系统又可有一些子系统组成。
从而形成系统的解题形式的连接。
系统的阶梯组成形式维护子系统用户子系统配电子系统输电子系统发电机子系统砺磁子系统原动机子系统发电子系统电力系统 5.4.3.2. 3.2.1.1.⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧一） 系统研究的内容：任何系统都存在三方面需要研究的内容：即实体、属性和活动。
实体——组成系统的具体对象；属性——实体所具有的每一种有效特性（状态和参数）；活动——系统内对象随时间推移而发生的状态变化。
以图1-1中的RLC 电路系统为例：图1-1 RLC 电路系统系统的实体为：电阻R ；电感L ；电容C 和激励e （t ）；系统的属性为：电荷q ；电流t q d ；激励e （t ）；R 、L 、C 的数值； 系统的活动为：电振荡（随时间变化）。
影响系统活动的因素可能很多，我们把这些因素分成两类：一个是因部因素，一个是外部因素1） 影响系统活动的因素：a) 内部因素（内部环境）：在系统内可改变的因素；（系统参数、内部激励源）b) 外部因素（外部环境）：在系统内不可改变的因素（外部对系统的注入量）。
三） 系统具有下列性质：1） 整体性，系统是一个整体，它的各个部分既相对独立，又是不可分割的。
图1-1所示的系统就是由独立的电路元件按一定的规律组成的简单电路系统。
2） 相关性，反映了各组成部分相互联系、相互制约、相互依存。
系统内部的各个部分之间按一定的规律相互联系相互作用。
这种联系和相互作用可以表现为某一个子系统从其它的子系统接受输入，从而产生有用的输出作用，该子系统的输出又可能是另一个子系统的输入。
如图1-1的电路系统所示，系统的关联性主要表现为每个环节之间的信息流动和信息反馈作用。
3） 目的性，系统要完成特定的功能。
C1.1.2系统分类在对系统分析、仿真机设计之前应首先对系统进行分类。
我们对不同类型的系统将采取不同的分析、仿真方法。
了解系统的分类对系统的仿真分析是必需的。
系统分类的方式很多。
如何对系统进行分类，取决于研究的目的。
下面解说常见的几种分类方式：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧周期变化）统。
（状态保持恒定或动态系统又称为静态系态保持不变，此时的静态系统：若系统的状态有关而且与他过去的工作状（有记忆系统）同时刻的输入，系统的状态不仅取决于动态系统：关与他过去的工作状态无无记忆系统）时刻的输入，系统的状态只取决于同即时系统：( .1没有储能元件的系统是计时系统，电阻元件组成的系统含有储能元件的系统是动态系统动态系统：t 很小，)(t e 为非直流和周期变化的电源静态系统：t 趋于无穷大，且)(t e 为直流或周期变化的电源⎪⎩⎪⎨⎧）在完全确定的函数关系（输入与状态变量不存，影响系统的状态输出环境发生不确定的变动随机系统：系统内部或的函数关系与状态变量有完全确定确定系统：系统的输入 .2我们所研究的系统大部分是确定系统。
